表征中国多污染物空气污染：三个空气质量指数的比较外文翻译资料

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表征中国多污染物空气污染：三个空气质量指数的比较

Jianlin Hu a , Qi Ying b , Yungang Wang c , Hongliang Zhang d, ⁎

摘要：复合空气污染（几种污染物同时达到非常高的浓度）在中国的许多地区常有发生。空气质量指数（AQI）在世界范围内用于向公众通报空气污染水平和相关的健康风险。目前在中国使用的AQI方法是基于个别污染物的最大值，并没有考虑到接触多种污染物的综合健康影响。在这项研究中，两个新的替代指标 - 空气质量综合指数（AAQI）和基于健康风险的空气质量指数（HAQI） - 是根据收集的中国六个特大城市（北京，上海，广州，石家庄，西安，武汉）2013-2014年的数据计算出来的。AAQI和HAQI都考虑到多种污染物对健康的综合影响，HAQI考虑暴露（浓度） - 反应关系。将AAQI和HAQI与AQI进行比较，来检验目前国内AQI在表征多污染物空气污染的效率。 AAQI和HAQI高于AQI，当两种或两种以上污染物同时超过中国环境空气质量标准（CAAQS）24小时二级标准。分类的比较结果基于这三个指数的风险类别表明，目前的AQI方法低估了严重程度与多污染物空气污染相关的健康风险。对于基于AQI的风险类别“不健康”的情况下，96％和80％的时间分别以“AAQI”和“HAQI”为“非常不健康”或“危险”;而对于基于AQI的“非常不健康”的风险类别，67％和75％的日子将是“危险的”，如果基于AAQI和HAQI。结果表明，在高空气污染事件期间，一般公众群体，特别是儿童和老年人等敏感人群应采取比目前基于AQI方法进行的更严格的行动。开展敏感性研究以检验AAQI和HAQI方法中使用的假设。结果表明，AAQI对污染物不相干的常数的选择十分敏感。 HAQI对于阈值和风险计算中污染物的选择都很敏感。

关键词：空气质量指数；复合空气污染；健康风险；中国；PM _2.5

1. 介绍

近几十年来，由于工业化和城市化进程加快，能源消耗不断增加，中国的空气污染问题日益严重。许多研究都有明确了空气污染与各种健康影响之间的关联（例如，Brunekreef和Forsberg，2005; Burnett等，2000; Dockery，2001; Dominici等人，2005; Le Tertre等，2002）。认识到大气污染情况的严重程度和中国人口密集程度，中国科学家最近开始了空气污染健康效应研究（例如，Cao等，2012; Chen，2007; Chen等，2013;Guo等，2013;Kan and Chen，2002; Kan和Gu，2011）。结果这些研究证实，空气污染威胁着中国公共卫生。因此，重要的是要通知公众空气污染和相关的健康风险的水平，使人们可以采取措施来保护自己的健康。

空气污染水平由空气污染物的复杂混合物的浓度决定。目前SO ₂，NO ₂，CO，O ₃，PM _2.5和PM ₁₀被定义为世界上六种标准的污染物用于量化空气污染水平。其中污染物的排放量的浓度可能会有数量级的差异，浓度对健康的影响也是显着不同的。因此，公众难以使用这些浓度直接描述空气污染的程度。另外，对于大众来说，使用从好到不健康的指数是更容易理解的，并且成为解释许多国家和地区空气污染水平的最常见方式（Shooter和Brimblecombe，2005）。这样的指数最初是在早期开发的1970年代（Babcock，1970年），并从那以后一直在发展。目前，空气质量指数（AQI）是全球使用最多的指数。

最常用的指标是美国的环境保护局（US EPA）AQI。 AQI的范围从0到500，是根据六种标准污染物的浓度计算。对于给定日期的某一特定地点，每种污染物的AQI值都是计算得出，所有的子AQIs的最大值定义为整体AQI。当AQI大于100时，表明“不健康”的空气质量。这种方法受到批评，因为它没有恰当地代表暴露于多种污染物的综合健康影响。 已经开展了一些研究来开发考虑各种污染物的综合健康影响的替代方法。Swamee和Tyagi（1999）提出将子AQI组合起来一个总体AQI（AAQI）。 Kyrkilis等人（2007）遵循这个想法和为希腊雅典地区开发了一个AAQI。结果表明AAQI更有效地估计空气污染的暴露比美国环保局的AQI。另一种新型的替代AQI方法是基于关于暴露于多种空气污染物的健康风险（Cairncross等，2007; Sicard等，2012; Stieb等，2008; Wong等，2013）。基于健康风险的AQI（HAQI）考虑已建立的暴露（或浓度） - 反应关系。HAQI表示改善了各个国家和地区现有的空气质量指标。目前，加拿大正在使用空气质量健康指数方法基于Stieb等人（2008年）提出的方法。

中国环境保护部（MEP）通过美国环境保护局的AQI方法和在中国开发中国的AQI系统2012年（MEP，2012a）。 Wong等人（2013）为香港制定了一个HAQI，但没有研究进行中国大陆的AQI，AAQI或HAQI方法之间的空气污染严重性指标的差异调查。在最近的研究中，发现了六种标准污染物在中国空间和时间差异的分布情况（Wang，2014年），使其有可能第一次研究如何有效的不同的空气质量指数的方法表征中国多污染物的空气污染的严重性。在这项研究中，AAQI是根据个别污染物的分AQI，HAQI使用来自中国健康研究的暴露 - 反应关系进行定义。将HAQI和AAQI与MEPAQI在不同的季节和地点进行比较。对不同污染情况下三者的健康影响的指标也进行了调查。在每种方法的假设进行了讨论和未来的研究需要建立一个可以提供给大众的最佳指标以健康保护为目的的准确信息突出显示。

2.方法

2.1 研究领域和数据来源

选择六个代表城市（北京，上海，广州，石家庄，西安，武汉）进行中国AQI，AAQI和HAQI的比较分析。六个城市的位置如图1所示。北京，上海和广州位于华北平原，长江三角洲和珠江三角洲地区。这些地区已成为中国空气污染研究的热点，人口稠密，经济发达，污染事件频繁。最近一项调查中国大气污染状况的研究2013-2014年的数据显示，石家庄，武汉和西安是中国北部，东南部和西部地区受污染最严重的省会城市（Wang 等，2014）。六个城市位于不同的地区在污染类型和污染方面有显着差异水平（表1）。因此，分析不同的AQI方法使用来自六个城市的数据可以提供一个全面的了解不同的空气污染指数对空气污染特征的有效性在中国曝光。

六个城市的小时浓度SO₂，NO₂，PM_2.5，PM₁₀，CO和O₃均从中国环境监测总站发布网站下载（http://113.108.142.147：20035 / emcpublish /）。从2013年3月1日至2014年2月28日一年的数据被列入这项研究。这个数据集已被用于先前的研究（Hu等人，2014; Wang等人，2014; Zhang等人，2015）调查的气体时空变化和中国的颗粒污染物。详细的监测技术已经在这些研究中提供了，因此，只作简要说明数据集的提供在这里。所有的测量都进行了在每个城市的国家空气质量监测站点。在每一个现场，自动化监控系统已经安装和使用测量SO₂，NO₂，PM_2.5，PM₁₀，CO和O₃的环境浓度根据中国环境保护标准的HJ193-2013（http://www.es.org.cn/download/2013/7-12/2627-1.pdf），和HJ 655-2013（http://www.es.org.cn/download/2013/7-12/2626-1.PDF）。每个城市的监测点的值都是自动向中国国家环境监测中心报告并根据环境监测质量管理HJ630-2011（http：//kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/other/qt/201109/W020120130585014685198.pdf）技术指导原则进行验证后出版。全市平均浓度通过平均每个城市所有地点的浓度来计算。这与中国环境保护部每天向公众报道空气污染物浓度的方法是一样的。

图1 六个城市的重点在这项研究中的位置。 北京，上海和广州分别是华北平原，长江三角洲和珠江三角洲最大和最发达的城市。 石家庄，武汉和西安分别是北部，东南部和中国西部地区污染最严重的省会城市。

2.2 空气质量指数

2.2.1 环境保护部的AQI（或AQI）

环境保护部的AQI方法基于中国环境空气质量标准（CAAQS）。 每种污染物的亚AQI用公式 （1）采用监测污染物浓度：

AQI _i是污染物i的指数; C _i，m是监视的环境污染物i的浓度; j是健康类别索引，所以C _i，j 和C _i，j-1，它们是第j和j-1健康类别的上限浓度，包括C _i，m; AQI _i，j和AQI _i，j-1是AQI污染物i的值分别对应于C _i，j和C _i，j-1。

表2给出了健康类别和相应的范围AQI值和污染物浓度。 整体AQI是最大的所有污染物的亚AQI的和，如公式（2）：

AQI方法将污染物浓度转换为0-500的等级，其中亚AQI为100，相当于CAAQS 24小时二级标准（MEP，2012b）的上限。根据日平均浓度，如果总体AQI水平大于100，则某一天某个地点的空气质量水平被定义为不健康。 这个AQI计算方法在结果和讨论中被称为AQI。

2.2.2 总体AQI（AAQI）

AAQI方法考虑到所有标准污染物的综合影响。 Swamee和Tyagi提出的公式（1999）和Kyrkilis等人 （2007年）被定义为AAQI如等式（3）：

其中rho;是污染物不相关常数。在rho;=infin;的极端情况下，AAQI等于所有标准污染物的AQI指数的最大值，成为前面描述的AQI方法。在rho;= 1的另一个极端情况下，AAQI将成为所有亚AQI指数的线性总和。选择最适合的rho;值仍然是一个公开的科学问题（Kyrkilis等，2007）。以前的研究建议rho;的值应在2和3之间（Khanna，2000;Swamee和Tyagi，1999年）。在这项研究中，采用rho;= 2的值，并讨论了选择不同rho;值对AAQI的影响结果与讨论。 0-500的相同比例适用于更好的与AQI（以及下一节所述的HAQI）进行比较。因此，当AAQI（和HAQI）的值在500以上时封顶500。

2.2.3 基于健康风险的AQI（HAQI）

虽然AAQI试图说明多种空气污染物对健康的综合影响，但它并未明确说明污染物已建立的暴露 - 反应关系。 在一些研究中提出了基于健康风险的指标，以包括这种暴露 - 应答特征（Cairncross等，2007; Sicard等，2012; Stieb等，2008; Wong等，2013）。 为了定义基于健康风险的AQI，可以使用基于Cairncross概念（Cairncross et al。，2007）的多种污染物暴露的总体超额风险（ER）。 在一般形式中，每种污染物的相对风险（RR）是根据健康影响研究估算的，使用方程（4）：

其中beta;是暴露 - 反应关系系数，代表单位污染物单位增加（例如1微克/立方米PM_2.5）的健康影响（如死亡率）的超额风险; C是污染物浓度，C ₀是阈值浓度，低于该浓度时，认为污染物对健康没有明显的不利影响（即RR = 1）。 对于这项研究，beta;值是从对中国短期大气污染暴露和所有年龄段的日常死亡率的系统回顾中选取的（Shang等，2013）。 PM_2.5，PM₁₀，SO₂，NO₂和O₃分别增加10mu;g/ m₃，beta;值分别为0.38％，0.32％，0.81％，1.30％和0.48％，CO每增加1mg / m 3，beta;值为3.7 ％。

据推测，当污染物浓度低于二级标准时，空气污染很少或没有健康风险。因此，将六种污染物的CAAQS 24小时二级标准的上限用作C ₀值作为 第一次估计。 然而，一些研究表明，这些值不能被视为阈值，低于此阈值可能会出现零不良反应（WHO，2005），因此通过将C ₀值改变为1）CAAQS 24小时的上限进行了两项敏感性分析 等级I标准和2）除CO以外没有阈值（即C ₀ = 0）。灵敏度分析的结果包括在结果和讨论中。

将每种污染物的定义为RR-1的ER总结起来计算同时暴露于几种空气污染物的总体超额风险（ER总量）：

因此，ER总量的较高值反映了较高的健康风险。 图2显示了六个城市6种污染物的平均ERs，使用选定的beta;值，测得的每日浓度以及CAAQS 24 h二级标准的C 0值。 ER在六个城市之间差异很大，广州最低为0.6％，石家庄最高为9.9％。 在北京，上海和武汉，PM _2.5占ER总数最多; PM ₁₀在石家庄和西安最高，其次是PM _2.5; O ₃和NO ₂也有一定的贡献，特别是在广州。 O ₃，NO ₂和PM _2.5具

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